Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса 9
1.1 Натурные наблюдения 12
1.2 Прогноз тягуноопасных колебаний 20
1.3 Обзор предыдущих исследований 23
1.4 Атласы тягуноопасных колебаний 28
1.5 Выбор оптимальной математической модели 32
1.6 Выводы 37
2 Исследования реакции портовых акваторий при воздействии инфрагравитационных волн методом математического моделирования 41
2.1 Методика моделирования 41
2.2 Результаты моделирования 44
2.2.1 Вход в гавань полностью открыт 45
2.2.2 Вход в гавань открыт частично 49
2.3 Выводы 52
3 Экспериментальные исследования поверхностных волн в огражденных акваториях методом гидравлического моделирования 53
3.1 Цели и задачи 53
3.2 Методика моделирования 53
3.3 Измерительная система и точность измерений 56
3.4 Исходные данные для проведения экспериментов в волновых бассейнах и результаты моделирования 59
3.4.1 Первый тип компоновки оградительных сооружений 60
3.4.2 Второй тип компоновки оградительных сооружений 77
3.4.3 Третий тип компоновки оградительных сооружений 83
3.5 Вывод 83
4 Разработка способов защиты портовых акваторий от тягуноопасных колебаний 89
4.1 Изменение волноотражающсй способности оградительных молов 89
4.1.1 Проницаемые конструкции 89
4.1.2 Устройство гасителя с внутренней стороны существующих молов 92
4.2 Создание аванпортов 92
5 Моделирование тягуноопасных колебаний в порту Туапсе 100
5.1 Существующие условия 101
5.2 Изменение компоновки 105
Заключение 110
Список использованных источников 113
- Выбор оптимальной математической модели
- Вход в гавань открыт частично
- Исходные данные для проведения экспериментов в волновых бассейнах и результаты моделирования
- Устройство гасителя с внутренней стороны существующих молов
Введение к работе
Одним из малоизученных в настоящее время вопросов, связанных с портовыми акваториями, является возникновение в них так называемого тягуна.
Сущность этого явления заключается в том, что во многих портах мира суда, пришвартованные у причалов, начинают время от времени периодически двигаться вдоль них под действием какой-то силы. Иногда эти движения настолько мощны, что стоянка судов у причалов невозможна, происходит либо наваливание судов на причалы, либо наоборот отжим, приводящий к обрыву швартовых концов. Тягун может наблюдаться как во время сильного волнения, так и при полном штиле.
Известно, что тягун возникает даже в портах, достаточно защищенных от ветрового волнения. В настоящее время считается, что возникновение этого явления предотвратить нельзя /65/. Так как в случае возникновения тягуиоопасных колебаний в портовых акваториях принятие заблаговременных и оперативных решений по ограничениям операций, выполняемых с судами, позволяет избежать аварий, очень важно заранее, как можно точнее, расчетным путем определить параметры таких колебаний.
Причиной возникновения тягуна в порту являются низкочастотные волны малой высоты, возникающие в штормовой зоне моря /8, 37, 76/. Проникая в порт, они создают на его акватории систему стоячих колебаний большого периода, или сейш. Формирование таких низкочастотных колебаний
5 является результатом нелинейного взаимодействия резонансной и дорезонансной систем волн /6, 11,12,41, 111/.
Перед препятствием, которое приводит к частичному отражению волн, имеют место прогрессивно-стоячие волны, которые можно рассматривать как суперпозицию двух волн, движущихся в противоположном направлении. Такими препятствиями в порту, в основном, являются непроницаемые оградительные молы.
Низкочастотные колебания, имеющие одинаковые параметры на подходах к портам, усиливаются на акваториях по-разному /28, 97, 98, 109/. Существуют порты открытого побережья, в которых тягуна нет /36/. Это объясняется тем, что акватория порта не усиливает низкочастотных колебаний открытого моря (т.е. не происходит резонансного усиления).
Имеется связь тягуна с местными морфометрическими условиями. Известно, что в риасовых бухтах (Рио-де-Жанейро) и фиордах (норвежские порты), а также на отмелых побережьях (Одесса) - явление тягуна никогда не возникает /8/. Наоборот, тягун особенно интенсивен там, где портовые сооружения как бы вторгаются в зону действия волн открытого моря. Такие порты как Батуми, Туапсе, Неаполь, Кейптаун и др. /26, 96, 105, 122, 125/, расположенные на приглубых побережьях, подвержены наиболее сильному тягуну.
Можно заключить, что основными факторами, влияющими на возникновение тягуна в порту, помимо гидрометеорологических и
геоморфологических условий, являются конфигурация акватории и тип оградительного сооружения порта.
В последние годы в нашей стране ведется широкомасштабная работа но реконструкции существующих портов и проектированию и строительству новых. Проектирование ведется в соответствии с различными нормативными документами /59, 64, 74, 88 и др./, при этом ни в одном из них не содержатся требования о проверке на возникновение тягуна в запроектированной акватории /6, 10, 14, 15, 17/. Чтобы ответить на вопрос о возникновении в портовых акваториях низкочастотных тягуноопасных колебаний свободной поверхности со значительными амплитудами необходимы исследования резонансных характеристик портовых акваторий. Нормативного метода расчета для определения этих характеристик до настоящего времени не разработано.
В настоящей работе объектом исследования являются гидротехнические сооружения портовых акваторий.
Цель работы - исследование возникновения в портах явления тягуна в зависимости от компоновки и типов гидротехнических сооружений в акваториях.
Задачи:
изучение основных достижений и тенденций в разработке методов расчета тягуноопасных колебаний в портовых акваториях;
выбор математической модели, описывающей процесс трансформации волн в огражденной акватории;
исследования на базе этой модели реакции портовых акваторий различной конфигурации при воздействии инфрагравитационных волн;
экспериментальные исследования тягуноопасных колебаний в акваториях методами гидравлического моделирования;
сравнение результатов, полученных путем гидравлического моделирования, с результатами, полученными математическим путем;
разработка технических решений по снижению резонанса инфрагравитационных волн в портах.
Основные результаты работы докладывались на заседаниях секции «Лито-гидродинамики, системы берегозащиты» Ученого совета ОАО ЦНИИС; научно-практических конференциях «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации» (СПИЦ РАН, 2002 г., 2003 г., 2004 г.); II международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (г. Сочи, 2003 г.); Научно - техническом совещании «Проблемы инженерной защиты берегов Черного и Азовского морей и пути их решения» (г. Ялта, 2003 г.); XXI Международной береговой конференции «Прибрежная зона моря: морфолитодинамика и геоэкология» (Калининград-Светлогорск, 7-Ю сентября 2004 г.); VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Институт водных проблем РАН, г. Москва 2004 г.); и др.
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.
Научная новизна работы:
выполнен анализ возникновения тягуна в портовых акваториях различной конфигурации;
задача о резонансе инфрагравитационных волн в огражденных акваториях решена в новой постановке; при решении использовался новый метод расчета дифракции и рефракции (метод интегрирования по глубине);
- на основе экспериментальных данных разработаны способы защиты от
тягуна, которые могут применяться как при проектировании новых, так и для
улучшения волновой обстановки в существующих портовых акваториях.
Практическое применение результатов исследования в процессе проектирования оградительных сооружений портовых акваторий позволит не только предупредить возникновение тягуна во вновь строящихся портах и тем самым избежать аварий, но и более точно предсказать возникновение и интенсивность тягуна в существующих акваториях.
Выбор оптимальной математической модели
Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что на сегодняшний день не существует единой методики расчета, которая позволила бы в полной мере учитывать все факторы, влияющие на возникновение тягуна в портовых акваториях. Это обусловлено, в первую очередь, несовершенством математических моделей расчета трансформации волн. Ограниченная эффективность таких моделей и алгоритмов, заложенных в нормативные документы, отмечалась неоднократно, например в /25/. В данном разделе производится выбор такой постановки задачи о трансформации волн в огражденной акватории, численная реализация которой не представляла бы значительной вычислительной сложности. Нормативный метод расчета В основу нормативного метода расчета трансформации волн на огражденной акватории /40, 73/ положено уравнение баланса волновой энергии. В этом методе используется принцип Юнга, объясняющий явление дифракции как процесс передачи волновой энергии вдоль фронта волны при распространении волн в неоднородных средах, и принцип Гюйгенса - Френеля, позволяющий задать форму волновых фронтов в зоне дифракции. Вначале рассчитываются лучи, вдоль которых распространяется энергия волн, а затем, используя закон сохранения потока энергии, параметры волн /3/. Уравнение баланса волновой энергии для решения задачи дифракции волн на воде записывается в виде /36/: где г - безразмерная координата вдоль волнового луча, / - вдоль фронта волны. Количественное выражение поперечной передачи энергии условно принято в виде потока энергии (q) или количества энергии, проходящего через поперечное сечение отдельной волны за единицу времени. Поток энергии пропорционален длине волны, групповой скорости и градиенту энергии (дЕ) на участке фронта волны (dl), т.е.: где X - длина волны, с - групповая скорость. Высоту дифрагированной волны определяют по зависимости где И/ - высота исходной волны /%-ной обеспеченности, к{щ- -коэффициент дифракции.
Вычисление коэффициента дифракции осуществляется по формулам и номограммам, полученным эмпирическим путем. Вопрос о целесообразности применения этого метода в случае неоднородного рельефа дна рассматривается в /91/. Здесь отмечается, что при практической реализации, чтобы избежать возможного пересечения волновых лучей, необходимо применять различные методы сглаживания, что значительно усложняет вычисления. Кроме того, в случае неоднородного рельефа дна метод работает некорректно, возможно существенное искажение параметров волн. Рефршщионно - дифракционное уравнение Биркгофа Уравнение Биркгофа описывает ряд физических процессов, обусловленных взаимодействием волн с твердыми поверхностями В работе /25/ обсуждаются некоторые вопросы, связанные с практическим применением этого метода и решается ряд тестовых примеров. Отмечается, что при решении этой задачи лучевым методом в случае резкого изменения рельефа дна может происходить сгущение волновых лучей с неограниченным возрастанием амплитуды волн, следовательно, волновые процессы в акваториях нужно рассматривать в рамках более полных математических моделей. Требуемой достоверности результатов при решении данной задачи можно достичь используя метод параболического уравнения, однако процесс вычислений является очень сложным и трудоемким. Авторы статьи /25/ делают вывод о том, что необходимо дальнейшее совершенствование этого метода как в части упрощения расчетов, так и в части учета нелинейных эффектов. Дифракционное уравнение Гельмгольца следует из уравнения (1.10) в случае глубокой воды или если глубина жидкости постоянна. Потенциал скорости определяется по зависимости а ордината волновой поверхности где t- время; т\ - отклонение свободной поверхности от невозмущенного уровня; d - глубина воды. В /23/ приводится достаточно полный сравнительный анализ двух методов решения уравнения Гельмгольца, применяемых для расчета дифракции волн в огражденных акваториях: метода конечных элементов /29/ и метода параболического приближения /22/. В методе конечных элементов математически задача об определении волнового режима па акватории сводится к определению комплексной волновой функции из уравнения Гельмгольца и граничных условий. При применении метода параболического приближения задача об определении возвышения волновой поверхности сводится к нахождению комплексной амплитуды, получаемой при представлении волновой функции в виде произведения быстро и медленно меняющихся на длине волны функций. Далее, производятся преобразования в исходном уравнении Гельмгольца и вводится приближение /23/, называемое параболическим. Благодаря этому вместо эллиптического уравнения Гельмгольца получается параболической уравнение, с помощью которого описывается дифракция волн в огражденной акватории. Решение полученного уравнения аналогично решению уравнения теплопроводности /1, 21.
Вход в гавань открыт частично
Для подтверждения некоторых результатов, полученных методом математического моделирования, были проведены эксперименты на физической модели в волновом бассейне. В задачи исследований входило: 1. Определить условия возникновения резонансных колебаний для акватории заданной конфигурации. 2. Выявить влияние длины гавани на резонанс волн в акватории. 3. Получить волновую картину во время резонансных колебаний в огражденной акватории. 4. Построить кривую зависимости резонансных колебаний от длины портовой акватории. Цель исследований - оценка точности результатов, полученных путем математического моделирования. Одним из основных методов решения практических (инженерных) задач является метод физического моделирования. Особенно эффективно этот метод применяется в гидротехнике, когда, ввиду сложности протекающих процессов, получение достоверных теоретических результатов связано со значительными трудностями. Согласно теории подобия, изучать на гидравлической модели процесс волнового воздействия на сооружения следует при обеспечении геометрического подобия модели натурному объекту, подобия волнового режима, подобия поверхностных и объемных сил, т.е. необходимо обеспечить равенство всех определяющих критериев. В общем случае выполнить все эти условия практически невозможно.
В частности, если на модели используется та же жидкость, что и в натурных условиях, то нельзя одновременно обеспечить подобие по числам Фруда (Fr) и Рейнольдса (Re). Однако для целого ряда задач, имеющих важное практическое значение, не требуется подобие по обоим параметрам /16/. Так, при чисто волновом движении или воздействии необрушающихся волн на гидротехнические сооружения, когда влияние вязкости мало, динамическое подобие модельных и натурных процессов определяется равенством чисел Фруда. При исследовании волн на поверхности несжимаемой жидкости критерий Фруда может быть записан в виде: где h - высота волн; g - ускорение свободного падения; Т - период волн. Ограничения по параметрам волн обусловлены необходимостью исключения заметного влияния молекулярной вязкости и капиллярных эффектов. Капиллярность (или поверхностное натяжение) можно не учитывать, если длина волн на модели XSI больше 20 см /32/ Чтобы пренебречь внутренней диссипацией энергии волн за счет вязкости, должно быть выполнено условие /38/ где и - кинематическая вязкость жидкости. Другой класс задач о движении жидкости со свободной поверхностью включает случаи, когда трение в жидкости существенно, но влиянием молекулярной вязкости можно пренебречь. Примерами такого рода являются течения с сильно развитой турбулентностью при больших числах Рейнольдса. К их числу можно отнести задачи о взаимодействии волн с обтекаемыми преградами или проницаемыми сооружениями. Вопрос о моделировании сил сопротивления или сил гидродинамического воздействия в этих случаях сводится к вопросу моделирования формы и массы конструктивных элементов сооружений. Конечно, при этом следует иметь в виду, что существует нижний предел размеров модели, который определяется из условий: течение на модели должно быть турбулентным и автомодельным по числу Рейнольдса /16/. При обтекании тел различной формы эти требования будут выполнены, если
Исходные данные для проведения экспериментов в волновых бассейнах и результаты моделирования
Экспериментальные исследования влияния компоновки и типа оградительных сооружений на резонанс длиннопериодных волн в портовой акватории были проведены в двух волновых бассейнах НИЦ «Морские берега». Первый бассейн имеет размеры: ширина - 13 м, длина - 19 м. Он оснащен установкой, позволяющей щитовому волнопродуктору совершать колебания с заданной частотой и амплитудой. Второй бассейн (глубоководный) в плане имеет форму равнобедренной трапеции с основаниями 41м и 25 м и расстоянием между ними - 31,5 м. Высота стенок бассейна - 1,7 м. Бассейн оснащен передвижными волнопродукторами, которые представляют собой группу однотипных установок, обеспечивающих возвратно-поступательное движение щитов. Для совместной работы секции объединены посредством синхронизирующего вала и карданных соединений. Длина щита одной секции -5 м, высота - 1 м. В проводимых экспериментах была использована одна секция. Связь привода щита с синхронизирующим валом осуществляется ременной передачей. Привод каждой секции волнопродуктора включает электродвигатель постоянного тока мощностью 17 кВт и механическую трансмиссию, с помощью которой можно регулировать частоту и амплитуду колебаний щита. Всего было исследовано три типа компоновки оградительных сооружений портовой акватории. При этом их конфигурация и рельеф дна выбраны произвольно. Оградительные сооружения - непроницаемые молы. Каждый опыт повторялся не менее трех раз, полученные результаты осреднялись.
Погрешности определения высоты волн не превышали 10 %. В процессе исследований замерялся период исходных колебаний Т0 и высота волн (Ьисх - высота волн на входе в акваторию, hn - высота волн в точке п). Затем расчетным путем определялись следующие параметры: Так как на результаты лабораторных исследований искажающее влияние оказывают отраженные волны, для исключения их действия были приняты следующие меры: 1) в углу бассейна была отсыпана волногасящая берма, 2) стенки внешней акватории были выполнены в виде проницаемой наброски из массивов, накрытых сверху горизонтальной плитой. Вид этих стенок без горизонтальной плиты показан на рисунке 3.2. Схема модели показана на рисунке 3.3. Всего было проведено 3 серии экспериментов. Плановое расположение оградительных сооружений исследуемой портовой акватории и точек измерений высот волн представлено на рисунке 3.4. Глубина воды задана равной d0=16,5 см, высота исходных волн hllcx изменялась в диапазоне от 3,5 до 3,0 см, период подходящих волн То - в диапазоне от 1,7 до 3,7 с. Длина волн X0= gd()-Т0, соответственно, изменялась в диапазоне от 2,16 до 4,7 м. Результаты этой серии опытов представлены в табличной форме (таблица 3.1). Визуальные наблюдения и результаты измерений высот волн показали, что внутри акватории данной конфигурации при вышеуказанных волновых параметрах резонансного усиления не возникает. 2 серия опытов В этой серии опытов исследовалась модель портовой акватории меньших размеров. Плановое расположение оградительных сооружений акватории и точек измерений высот волн представлено на рисунке 3.5. Глубина воды, как и в первой серии опытов, составляла do=\6,5 см. Высота исходных волн пиех изменялась в диапазоне от 3,5 до 1,8 см, а период подходящих волн Т(, - в диапазоне от 1,7 до 3,7 с. Длина волн X0= Jgd0 -Т0, соответственно, изменялась в диапазоне от 2,16 до 4,7 м. Результаты второй серии опытов представлены в табличной форме (таблица 3.2). Следует отметить, что при периодах 2,3 с и более наблюдалось явление резонанса (резонансный коэффициент усиления больше 1). При этом наибольшее значение R„ в этой серии опытов получено при ml = 3,35. 3 серия опытов В третьей серии, состоящей из 10 опытов, исследовалась модель портовой акватории еще меньших размеров, чем во второй.
Плановое расположение конструкций для первых пяти опытов этой серии представлено на рисунке 3.6, а общий вид сооружений в начале опыта - на рисунке 3.7. Геометрические размеры акватории и период исходных колебаний назначались таким образом, чтобы произведение ml находилось примерно в пределах 3,6+3,0. Глубина воды, как и в первых двух сериях, составляла d0-\6,5 см. Высота исходных волн писх изменялась в диапазоне от 3,5 до 1,7 см, а период подходящих волн Т0 изменялся в диапазоне от 1,3 до 1,7 с. Длина волн Я0 = gd0 Т0, соответственно, изменялась в диапазоне от 1,65 до 2,16 м. В результате опытов №№ 1 + 5 получили, что при длине акватории / = 0,95 м и периоде То = 1,5 с резонансный коэффициент усиления Rn составил 4,77.
Устройство гасителя с внутренней стороны существующих молов
Такой способ описан в литературе, однако, в достаточной степени на гидравлических и математических моделях исследования не проводились.
Параметры исходного волнения, а также план основного порта были приняты как в п. 3.4.4. Предварительно для данной конфигурации портовой акватории был произведен подбор оптимальной (с точки зрения исключения тягуноопасных колебаний) компоновки аванпорта на математической модели.
В данной работе на гидравлической модели исследовалось два варианта компоновки аванпортов (рисунки 4.4 и 4.5). Вариант, представленный на рисунке 4.4 по данным математического моделирования оказался оптимальным. Другой вариант, по тем же данным, существенного влияния на снижение резонансных колебаний не оказал. Результаты измерений высот волн представлены на рисунках 4.6 и 4.7.
Следует отметить хорошее соответствие данных, полученных на гидравлической модели с данными, полученными математическим путем. Таким образом, опыты показали, что с помощью аванпортов можно обеспечить благоприятные навигационные условия в портах, но, следует отметить высокую стоимость такого метода борьбы с этим явлением. Это обусловлено тем, что тягуну, в основном, подвержены порты, расположенные на приглубых побережьях, и аванпорты будут располагаться на больших глубинах.
Порт Туапсе построен в начале прошлого столетия. С момента его строительства неоднократно производились работы по строительству новых и реконструкции существующих гидротехнических сооружений как на внешней, так и на внутренней акватории порта. Так, например, был построен Первомайский волнолом, реконструировался Широкий мол и т.д. Согласно данным натурных наблюдений /8/, ветровые волны и зыбь проникают в порт с сильно погашенной под влиянием дифракции амплитудой и вызывают колебания судов, главным образом, в вертикальной плоскости. Колебания с периодами более 7 мин. происходят одновременно на всей акватории, не вызывая заметных подвижек плавсредств, и связаны с воздействием на портовую акваторию метеорологических колебаний, которые также постоянно наблюдаются на внешнем рейде. Такие колебания -своеобразный фон для высокочастотных колебаний. Наибольший интерес для исследования тягуна представляют колебания с периодами от 0,5 до 7 мин. Они наблюдаются 50 ...60 дней в году одновременно с ветровым волнением или зыбью и особенно заметны у Широкого мола и у входа в порт. Тягуноопасные колебания возникают во время сильных штормов при подходе к порту длиннопериодных волн с высотами более 15 см и периодами более 2 мин.
Случаи разрушительного действия тягуна в порту известны давно, еще до реконструкции Широкого мола. Например, в феврале 1958 г. в результате тягуна были повреждены судно «Сухона» и мол /8/. Схема порта Туапсе в тот период представлена на рисунке 1.1. До настоящего времени изменения компоновки гидротехнических сооружений при реконструкции в порту проводились без исследований влияния этих изменений на тягуноопасные колебания в акватории. При помощи предложенной методики можно оценить это влияние. Численные эксперименты были проведены по описанной в главе 2 математической модели.
Схема порта Туапсе при существующих условиях представлена на рисунке 5.1. Известно, что при такой компоновке гидротехнических сооружений внутри акватории наиболее сильному тягуну по-прежнему (как и несколько десятилетий назад) подвержены суда, пришвартованные у Широкого мола, а именно, у причалов №№ 9-И 1.
Значительные повреждения при тягуне получают не только суда (рисунок 5.2), но и причальные сооружения. Так, например, в марте 2006 г. в результате навалов судна «Voc Endeavour» при тягуне был поврежден причал №11 (рисунок 5.3). При этом надстройка из сборных железобетонных уголковых блоков получила горизонтальные смещения до 0,2 м на участке длиной 35 м, а также повреждения в виде трещин, сколов и разрушений бетона
с разрывом арматуры. Высота разрушений 0,6 м, глубина - до 0,4 м. Кроме того, изменилось и планово-высотное положение кранового пути - параметры дефектов превышают допустимые значения по показателям технического состояния (рисунок 5.4).
Численными экспериментами установлено, что при существующей компоновке гидротехнических сооружений резонанс колебаний водной массы в акватории порта будет при периоде подходящих со стороны открытого моря длинных волн, равном 7=135...150 с. В этом случае высота волн в углу у причала №9а в 4 раза превышает высоту исходных волн (рисунок 5.5). При этом образуются значительные знакопеременные уклоны свободной поверхности и горизонтальные течения, вызывающие подвижки судов. Кроме того, выявлены тягуноопасные колебания свободной поверхности и у входа в порт: при резонансной частоте высота волн здесь также в 4 раза больше высоты исходных волн. Таким образом, полученные расчетные данные согласуются с данными натурных наблюдений /8, 94/ и подтверждают тягуноопасность Туапсинского морского порта.
